JP2019085922A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成によって混合気を良好に燃焼させる。【解決手段】シリンダ本体とこれに組み付けられるシリンダヘッドとを備えるエンジンであって、シリンダ本体のシリンダボアに収容されるピストン１５と、シリンダヘッドに設けられ、燃焼室の混合気に点火する点火プラグ３０と、シリンダヘッドに設けられ、燃焼室のポートを開閉する開閉バルブと、を有し、ピストン１５の頂面４０には、点火プラグ３０に対向するキャビティ４１と、開閉バルブに対向するバルブリセス４２，４３と、キャビティ４１とバルブリセス４２，４３とを互いに連通させる連通路４４，４５と、が形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、混合気を燃焼させるエンジンに関する。

エンジンの燃費性能を向上させる方法の１つとして、薄い混合気を燃焼させるリーン燃焼方式がある。しかしながら、薄い混合気を良好に燃焼させることは困難であることから、リーン燃焼方式を採用することは、燃焼速度を低下させてエンジンの耐ノッキング性能を低下させる要因となっていた。そこで、点火プラグを囲むように副燃焼室を形成することにより、副燃焼室から主燃焼室に火炎を噴射させるようにしたエンジンが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００７−２８５２７３号公報

ところで、特許文献１に記載されるエンジンにおいては、点火プラグを囲む円筒部材をシリンダヘッドに組み付けることにより、円筒部材とピストンとの間に副燃焼室を形成している。しかしながら、シリンダヘッドに対して副燃焼室を形成するための部材を新たに追加することは、エンジンの開発コストや製造コストを増大させる要因となっていた。このため、簡単な構成によって混合気を良好に燃焼させることが求められている。

本発明の目的は、簡単な構成によって混合気を良好に燃焼させることにある。

本発明のエンジンは、シリンダ本体とこれに組み付けられるシリンダヘッドとを備えるエンジンであって、前記シリンダ本体のシリンダボアに収容されるピストンと、前記シリンダヘッドに設けられ、燃焼室の混合気に点火する点火プラグと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室のポートを開閉する開閉バルブと、を有し、前記ピストンの頂面には、前記点火プラグに対向するプラグ凹部と、前記開閉バルブに対向するバルブ凹部と、前記プラグ凹部と前記バルブ凹部とを互いに連通させる通路凹部と、が形成される。

本発明によれば、ピストンの頂面にプラグ凹部とバルブ凹部とを互いに連通させる通路凹部を形成したので、簡単な構成によって混合気を良好に燃焼させることができる。

本発明の一実施の形態であるエンジンを示す概略図である。 エンジンの一部を簡単に示した断面図である。 ピストン、点火プラグおよびインジェクタの位置関係の一例を示す斜視図である。 ピストンの一部を示す斜視図である。 ピストンの頂面を示す平面図である。 エンジンの制御系の一部を示すブロック図である。 インジェクタによる燃料噴射タイミングの一例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、エンジンの動作過程を簡単に示した図である。 （ａ）および（ｂ）は、エンジンの動作過程を簡単に示した図である。 （ａ）および（ｂ）は、燃焼過程と共にピストン頂面を簡単に示した図である。 （ａ）および（ｂ）は、燃焼過程と共にピストン頂面を簡単に示した図である。 本発明の他の実施の形態であるエンジンが備えるピストンの頂面を示す平面図である。

［エンジン構造］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態であるエンジン１０を示す概略図である。図１に示すように、内燃機関であるエンジン１０は、一方のシリンダバンクに設けられるシリンダブロック（シリンダ本体）１１と、他方のシリンダバンクに設けられるシリンダブロック（シリンダ本体）１２と、一対のシリンダブロック１１，１２に支持されるクランク軸１３と、を有している。各シリンダブロック１１，１２に形成されるシリンダボア１４にはピストン１５が収容されており、このピストン１５にはコネクティングロッド１６を介してクランク軸１３が連結されている。

各シリンダブロック１１，１２には、動弁機構２０を備えたシリンダヘッド２１，２２が組み付けられている。また、各シリンダヘッド２１，２２には、燃焼室２３に連通する吸気ポート（ポート）２４が形成されており、この吸気ポート２４を開閉する吸気バルブ（開閉バルブ）２５が組み付けられている。さらに、各シリンダヘッド２１，２２には、燃焼室２３に連通する排気ポート（ポート）２６が形成されており、この排気ポート２６を開閉する排気バルブ（開閉バルブ）２７が組み付けられている。なお、燃焼室２３とは、シリンダヘッド２１，２２、シリンダボア１４およびピストン１５によって区画される空間である。また、図示するエンジン１０においては、燃焼室２３毎に、２つの吸気バルブ２５が設けられるとともに、２つの排気バルブ２７が設けられている。

［ピストン構造］
図２はエンジン１０の一部を簡単に示した断面図である。図２にはピストン１５およびその近傍が示されている。図３は、ピストン１５、点火プラグ３０およびインジェクタ３１の位置関係の一例を示す斜視図である。また、図４はピストン１５の一部を示す斜視図であり、図５はピストン１５の頂面を示す平面図である。なお、図２に示されるピストン１５の断面は、図５のＡ−Ａ線に沿うピストン１５の断面である。また、図２および図３には、上死点に位置したピストン１５が示されている。

図２に示すように、エンジン１０のシリンダヘッド２１，２２には、燃焼室２３内の混合気に点火する点火プラグ３０が設けられており、シリンダボア１４内に燃料を噴射するインジェクタ３１が設けられている。図２および図３に示すように、点火プラグ３０およびインジェクタ３１は、燃焼室２３のほぼ中央に位置するように、シリンダヘッド２１，２２に対して組み付けられている。

図２〜図５に示すように、ピストン１５の冠面つまり頂面４０（以下、ピストン頂面と記載する。）の中央部には、点火プラグ３０に対向するキャビティ（プラグ凹部）４１が形成されている。図２および図３に示すように、ピストン１５が上死点に移動したときには、点火プラグ３０の先端３０ａがキャビティ４１に入る構成となっている。また、ピストン頂面４０の外周部には、各吸気バルブ２５に対向する一対の吸気側バルブリセス（バルブ凹部，吸気側凹部）４２が形成されている。この吸気側バルブリセス４２は、吸気バルブ２５の傘部２５ａに対向する円形状の凹部である。さらに、ピストン頂面４０の外周部には、各排気バルブ２７に対向する一対の排気側バルブリセス（バルブ凹部，排気側凹部）４３が形成されている。この排気側バルブリセス４３は、排気バルブ２７の傘部２７ａに対向する円形状の凹部である。

また、ピストン頂面４０には、キャビティ４１と吸気側バルブリセス４２とを互いに連通させる吸気側連通路（通路凹部，第１通路凹部）４４が形成されている。さらに、ピストン頂面４０には、キャビティ４１と排気側バルブリセス４３とを互いに連通させる排気側連通路（通路凹部，第２通路凹部）４５が形成されている。このように、キャビティ４１とこれの周囲に配置される各バルブリセス４２，４３とは、キャビティ４１から放射状に伸びる各連通路４４，４５を介して互いに接続されている。また、図４および図５に示すように、ピストン頂面４０には、キャビティ４１を囲むとともに各バルブリセス４２，４３を仕切る壁部４６が形成されている。このように、ピストン頂面４０は壁部４６によって盛り上げられており、図示するエンジン１０の圧縮比は所定値（例えば１４）以上に設計されている。

［制御系］
図６はエンジン１０の制御系５０の一部を示すブロック図である。図６に示すように、エンジン１０の制御系５０には、インジェクタ３１や点火プラグ３０を制御するため、マイコン等からなるエンジンコントローラ５１が設けられている。エンジンコントローラ５１には、インジェクタ３１の燃料噴射を制御するインジェクタ制御部５２や、点火プラグ３０の点火時期を制御する点火制御部５３等の各機能部が設けられている。エンジンコントローラ５１のインジェクタ制御部５２は、他のコントローラや各種センサからの情報に基づき、インジェクタ３１の燃料噴射量や燃料噴射タイミングを制御する。また、エンジンコントローラ５１の点火制御部５３は、他のコントローラや各種センサからの情報に基づき、点火プラグ３０の点火タイミングを制御する。なお、エンジンコントローラ５１と点火プラグ３０との間には、イグニッションコイルやイグナイターからなる点火装置５４が設けられている。点火装置５４は、インジェクタ制御部５２からの点火信号に基づき、イグナイターやイグニッションコイルによって生成される高圧電流を点火プラグ３０に出力する。なお、エンジンコントローラ５１に接続されるセンサとして、クランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ５５、図示しない吸気管を通過する吸入空気量を検出するエアフローメータ５６、図示しない吸気管の圧力を検出する吸気圧センサ５７、およびエンジン１０の冷却水温を検出する水温センサ５８等がある。

［燃料噴射制御］
図７はインジェクタ３１による燃料噴射タイミングの一例を示す図である。なお、図７に示したクランク角のＴＤＣ（Top Dead Center）とは上死点であり、ＢＤＣ（Bottom Dead Center）とは下死点である。また、図８および図９はエンジン１０の動作過程を簡単に示した図である。図８（ａ）にはエンジン１０の吸気行程が示されており、図８（ｂ）にはエンジン１０の圧縮行程が示されている。なお、図８（ａ）および（ｂ）に示される白抜きの矢印はピストン１５の移動方向を示している。また、図９（ａ）および（ｂ）には圧縮行程から燃焼行程に移行した直後の状況が示されている。

図７に示すように、インジェクタ制御部５２は、燃料を噴射する燃料噴射期間として、吸気行程で燃料を噴射する第１噴射期間Ｔ１と、圧縮行程で燃料を噴射する第２噴射期間Ｔ２と、を有している。また、第１噴射期間Ｔ１は第２噴射期間Ｔ２よりも長く設定されており、第１噴射期間Ｔ１に噴射される燃料噴射量は、第２噴射期間Ｔ２に噴射される燃料噴射量よりも多くなっている。また、第１噴射期間Ｔ１と第２噴射期間Ｔ２との間には、燃料噴射を停止する噴射停止期間Ｔ３が設けられている。なお、第１噴射期間Ｔ１としては、少なくとも吸気行程を含む行程で燃料を噴射する噴射期間であれば良く、吸気行程から圧縮行程にかけて第１噴射期間Ｔ１を設定しても良い。

このように、第１噴射期間Ｔ１と第２噴射期間Ｔ２とに分けて燃料を噴射することにより、燃焼室２３内を、燃料の薄い混合気が存在するリーン領域と、燃料の濃い混合気が存在するリッチ領域とに分けることができる。図７および図８（ａ）に示すように、吸気行程で燃料を噴射する第１噴射期間Ｔ１においては、燃焼室２３内の混合気をリーン状態（空燃比が１４．７よりも大きな状態）にする量の燃料が噴射される。このように、吸気行程から燃料を噴射しておくことにより、シリンダボア１４内の空気に燃料をよく混ぜることができ、燃焼室２３全体の混合気を均質なリーン状態にすることができる。続いて、図７および図８（ｂ）に示すように、圧縮行程の終盤で燃料を噴射する第２噴射期間Ｔ２においては、ピストン頂面４０のキャビティ４１に向けて僅かな燃料が噴射される。このように、ピストン１５がシリンダヘッド２１，２２に接近する圧縮行程の終盤において、キャビティ４１に向けて僅かな燃料を噴射することにより、キャビティ４１内の混合気をリッチ状態（空燃比が１４．７よりも小さな状態）に調整することができる。つまり、図８（ｂ）に示すように、ピストン頂面４０のキャビティ４１内やその近傍を、燃料の比率が高いリッチ領域Ａ１に制御することができ、ピストン頂面４０のバルブリセス４２，４３内やその近傍を、燃料の比率が小さいリーン領域Ａ２に制御することができる。

続いて、図９（ａ）に示すように、ピストン１５が上死点近傍に到達すると、点火プラグ３０によってキャビティ４１内の混合気に点火される。燃焼室２３全体としては混合気がリーン状態であるが、キャビティ４１内の混合気はリッチ状態であることから、キャビティ４１内の混合気は良好に着火されることになる。そして、キャビティ４１内の混合気が燃焼すると、図９（ｂ）に矢印αで示すように、キャビティ４１から連通路４４，４５を通じてバルブリセス４２，４３に火炎が噴出する。このように、キャビティ４１からバルブリセス４２，４３に火炎を噴出させることにより、リーン状態であるバルブリセス４２，４３内の混合気を、高エネルギーの火炎によって良好に燃焼させることができる。すなわち、図示するエンジン１０においては、キャビティ４１がいわゆる副燃焼室として機能しており、バルブリセス４２，４３がいわゆる主燃焼室として機能している。

［混合気燃焼過程］
図１０および図１１は燃焼過程と共にピストン頂面４０を簡単に示した図である。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１１（ａ）、図１１（ｂ）の順に混合気の燃焼過程が示されている。図１０（ａ）に示すように、点火プラグ３０による混合気の点火直前においては、キャビティ４１内やその近傍が、燃料比率の高いリッチ領域Ａ１に制御され、バルブリセス４２，４３内やその近傍が、燃料比率の低いリーン領域Ａ２に制御される。なお、キャビティ４１内の混合気はリッチ状態であるものの、燃焼室２３全体としては混合気がリーン状態に制御されている。続いて、図１０（ｂ）に符号Ｘ１で示すように、キャビティ４１内の混合気に点火されて混合気が燃焼すると、図１１（ａ）に符号Ｘ２で示すように、キャビティ４１から連通路４４，４５を通じて各バルブリセス４２，４３に火炎が噴出する。このように、キャビティ４１からバルブリセス４２，４３に火炎を噴出させることにより、図１１（ｂ）に符号Ｘ３で示すように、リーン状態であるバルブリセス４２，４３内の混合気を、高エネルギーの火炎によって良好に燃焼させることができる。

これまで説明したように、ピストン頂面４０に、キャビティ４１、吸気側バルブリセス４２、排気側バルブリセス４３、吸気側連通路４４、および排気側連通路４５を形成したので、キャビティ４１から各バルブリセス４２，４３に向けて火炎を噴射することができる。これにより、燃焼室２３の大部分を構成するバルブリセス４２，４３内の混合気を薄くした場合であっても（例えば空燃比３０）、燃料の薄い混合気を良好に燃焼させることができる。しかも、シリンダヘッド２１，２２に副燃焼室等を設けることなく、ピストン頂面４０にキャビティ４１等を形成することで、火炎噴射による混合気燃焼が可能になるため、簡単な構成によって混合気を良好に燃焼させることができる。これにより、エンジン１０の開発コストや製造コストを抑制しつつ、混合気の燃焼速度を高めてエンジン１０の耐ノッキング性能等を高めることができる。

また、キャビティ４１からバルブリセス４２，４３に火炎が噴射される構造であるため、エンジン１０の圧縮比を高めるためにバルブリセス４２，４３を深く形成する場合であっても、バルブリセス４２，４３内の混合気を良好に燃焼させることができる。つまり、高圧縮比型のエンジン１０においては、バルブリセス４２，４３が深く形成されて燃焼室２３の容積が減少するため、燃焼時の冷却損失が増加して燃焼速度の低下を招き易くなる。しかしながら、図示するエンジン１０においては、燃焼室２３の大部分を占めるバルブリセス４２，４３に対し、キャビティ４１から高エネルギーの火炎が供給されるため、燃焼速度を低下させずに混合気を良好に燃焼させることができる。また、キャビティ４１からバルブリセス４２，４３に火炎を噴射する構造を採用することにより、燃焼速度を高めて耐ノッキング性能を向上させることができるため、エンジン１０の圧縮比を高めて熱効率を高めることができる。このように、キャビティ４１とバルブリセス４２，４３とを連通させる構造を採用することにより、エンジン１０の圧縮比を１４以上に高めることが可能である。更には、各種条件にもよるが、エンジン１０の圧縮比を１７以上に高めることも可能である。

［他の実施の形態］
本発明の他の実施の形態であるエンジンが備えるピストン６０について説明する。図１２は、本発明の他の実施の形態であるエンジンが備えるピストン６０の頂面６１（以下、ピストン頂面と記載する。）を示す平面図である。なお、図１２において、図５に示した部位と同様の部位については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１２に示すように、ピストン頂面６１には、前述のピストン１５と同様に、キャビティ４１、吸気側バルブリセス４２、排気側バルブリセス４３、吸気側連通路４４および排気側連通路４５が形成されている。また、ピストン頂面６１には、一対の吸気側バルブリセス４２を互いに連通させる連通路６２と、一対の排気側バルブリセス４３を互いに連通させる連通路６３と、隣接する吸気側バルブリセス４２と排気側バルブリセス４３とを互いに連通させる連通路６４，６５と、が形成されている。このように、各バルブリセス４２，４３を互いに連通させることにより、燃焼時に生じる火炎を各バルブリセス４２，４３に行き来させることができ、燃料の薄い混合気を良好に燃焼させることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、図示するエンジン１０は水平対向エンジンであるが、これに限られることはなく、直列エンジン、Ｖ型エンジンおよび単気筒エンジン等、他の形式のエンジンに本発明を適用しても良い。また、図示する例では、インジェクタ３１の燃焼室２３のほぼ中央に配置しているが、これに限られることはなく、インジェクタ３１を燃焼室２３の端に配置しても良い。このように、インジェクタ３１を燃焼室２３の端に配置した場合であっても、燃料の噴射タイミング等を調整することにより、キャビティ４１内の混合気をリッチ状態に制御することが可能である。また、図示する例では、キャビティ４１を球状に形成しているが、これに限られることはなく、円筒形等の他の形状にキャビティ４１を形成しても良い。また、図示する例では、吸気側バルブリセス４２と排気側バルブリセス４３との双方に連通路４４，４５を接続しているが、これに限られることはなく、吸気側バルブリセス４２だけに連通路４４を接続しても良く、排気側バルブリセス４３だけに連通路４５を接続しても良い。

図示する例では、ピストン頂面４０に、２つの吸気側バルブリセス４２を形成し、２つの排気側バルブリセス４３を形成しているが、これに限られることはない。例えば、１つの吸気側バルブリセス４２を形成しても良く、３つ以上の吸気側バルブリセス４２を形成しても良い。また、１つの排気側バルブリセス４３を形成しても良く、３つ以上の排気側バルブリセス４３を形成しても良い。また、図７に示した例では、吸気行程の全域に渡って第１噴射期間Ｔ１を設定しているが、これに限られることはない。例えば、吸気行程の一部において第１噴射期間Ｔ１を設定しても良く、吸気行程から圧縮行程にかけて第１噴射期間Ｔ１を設定しても良い。また、図７に示した例では、圧縮行程においてピストン１５が上死点に到達するまで、第２噴射期間Ｔ２を継続しているが、これに限られることはない。例えば、点火時期を進角させる場合には、これに合わせて、第２噴射期間Ｔ２も早められることになる。

前述の説明では、エンジン１０の圧縮比を１４以上に設定しているが、これに限られることはなく、圧縮比を１４未満に設定しても良いことはいうまでもない。圧縮比が１４未満に設定されるエンジンであっても、キャビティ４１とバルブリセス４２，４３とを連通させる構造を採用することにより、様々な状況下においてリーン状態の混合気を良好に燃焼させることが可能である。

１０ エンジン
１１，１２ シリンダブロック（シリンダ本体）
１４ シリンダボア
１５ ピストン
２１，２２ シリンダヘッド
２３ 燃焼室
２４ 吸気ポート（ポート）
２５ 吸気バルブ（開閉バルブ）
２５ａ 傘部
２６ 排気ポート（ポート）
２７ 排気バルブ（開閉バルブ）
２７ａ 傘部
３０ 点火プラグ
３０ａ 先端
３１ インジェクタ
４０ ピストン頂面（頂面）
４１ キャビティ（プラグ凹部）
４２ 吸気側バルブリセス（バルブ凹部，吸気側凹部）
４３ 排気側バルブリセス（バルブ凹部，排気側凹部）
４４ 吸気側連通路（通路凹部，第１通路凹部）
４５ 排気側連通路（通路凹部，第２通路凹部）
５２ インジェクタ制御部
６０ ピストン
６１ ピストン頂面（頂面）
Ｔ１ 第１噴射期間
Ｔ２ 第２噴射期間
Ｔ３ 噴射停止期間

Claims (6)

1. シリンダ本体とこれに組み付けられるシリンダヘッドとを備えるエンジンであって、
   前記シリンダ本体のシリンダボアに収容されるピストンと、
   前記シリンダヘッドに設けられ、燃焼室の混合気に点火する点火プラグと、
   前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室のポートを開閉する開閉バルブと、
   を有し、
   前記ピストンの頂面には、
   前記点火プラグに対向するプラグ凹部と、
   前記開閉バルブに対向するバルブ凹部と、
   前記プラグ凹部と前記バルブ凹部とを互いに連通させる通路凹部と、
   が形成される、
   エンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンにおいて、
   前記バルブ凹部は、前記開閉バルブの傘部に対向する円形状の凹部である、
   エンジン。
3. 請求項１または２に記載のエンジンにおいて、
   前記ピストンが上死点に移動したときに、前記点火プラグの先端は前記プラグ凹部に入る、
   エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンにおいて、
   前記シリンダボアに燃料を噴射するインジェクタと、
   前記インジェクタを制御するインジェクタ制御部と、
   を有し、
   前記インジェクタ制御部は、燃料を噴射する燃料噴射期間として、少なくとも吸気行程を含む行程で燃料を噴射する第１噴射期間と、圧縮行程で燃料を噴射する第２噴射期間と、を備え、
   前記第１噴射期間に噴射される燃料噴射量は、前記第２噴射期間に噴射される燃料噴射量よりも多い、
   エンジン。
5. 請求項４に記載のエンジンにおいて、
   前記第１噴射期間と前記第２噴射期間との間には、前記インジェクタの燃料噴射を停止する噴射停止期間が設けられる、
   エンジン。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジンにおいて、
   前記開閉バルブとして、吸気バルブと、排気バルブと、を備え、
   前記バルブ凹部として、前記吸気バルブに対向する吸気側凹部と、前記排気バルブに対向する排気側凹部と、を備え、
   前記通路凹部として、前記プラグ凹部と前記吸気側凹部とを互いに連通させる第１通路凹部と、前記プラグ凹部と前記排気側凹部とを互いに連通させる第２通路凹部と、を備える、
   エンジン。

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